一种低幅值差分信号处理电路的设计

A Design of Low-Amplitude Differential Signal Processing Circuit

摘要: 本文设计了一种新结构的低幅值差分信号检测处理电路，通过运算放大器将低幅值的差分信号进行放大，再经过比较器转换为脉冲信号，实现低幅值差分信号的输出检测功能。

Abstract: This paper designed a new structure of a low differential signal detection processing circuit. The low differential signal was amplified by an operational amplifier and then converted into a pulse signal by the comparator, achieving the function of detecting low differential signal output.

1. 引言

随着技术的发展，支持差分输入的ADC、MCU越来越多，由于差分传输能更好地抑制共模干扰，信号传输距离更远，越来越多的场合使用差分传输[1]。与普通单端放大器相比，差分放大器可以有效抑制输入信号中的共模噪声和地线电平电压浮动对电路的影响，因此，在工业应用中广受青睐[2]。差分放大电路是“模拟电子技术”的一项重要内容。差分放大电路形式上是一种两翼电路，非对称差分放大电路的差模信号与共模信号相互耦合，分析计算异常复杂。对称差分放大电路由于其结构两翼对称、参数相等并能有效抑制零点漂移和共模干扰因而广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级，也是集成运算放大器的重要组成部分[3] [4]。

在很多测量的情况下，信号是非常微小的，可能在几十微伏范围内，尤其是一个很大的输入共模电压同时去测量一个很小的信号，例如共模电压可以高达50 V，远远超出MOS管的工作电压，需要一种新的电路结构在共模电压很大的情况下精确测量输入信号[5]。

运算放大器在电子电路设计中几乎无处不在，由运算放大器组成的应用电路也非常丰富多样，其中比较器电路和差分放大电路在电路设计中的应用非常广泛。在电路设计中，比较器电路多用于实现越限告警功能，差分放大电路主要应用于取样电路中，用于将小的取样信号进行放大，以便能更好地进行处理[6]。根据被放大信号的不同，可以将差分放大电路分成两种[7]。一种是输入端没有隔直电容的直流耦合差分放大电路，可以同时放大直流和交流信号。另一种是输入端有隔直电容的交流耦合差分放大电路，隔离直流分量，放大信号中的交流成分。

本文聚焦于TMR磁阻传感器的前级模拟信号放大电路设计，为了充分增强TMR传感器输出的低幅值低频信号，设计适配的放大电路成为必要之举[8] [9]。磁阻传感器前级模拟信号放大电路中使用到专用仪表放大器，国内外在这一模块上均有不少的研究。在2011年，恩智浦半导体公司针对推出了KMZ60芯片，这是一款专为AMR传感器设计的高度集成化解决方案。该芯片的问世标志着公司在提升传感器性能、尤其是温度稳定性方面取得了显著成就，为传感器在复杂环境条件下的应用奠定了坚实基础。2016年，江苏多维科技有限公司在国内磁传感技术领域取得显著突破，成功推出了TMR134x系列集成传感器产品，该系列通过将TMR技术与CMOS全极型磁开关芯片的融合，实现了磁场检测技术的重大飞跃。尤其是高精度、低功耗等方面都有较为深入的研究。基准电压源是一个能够为电路提供稳定电压的模块，是集成电路中电源管理模块的核心，只有当提供的电压的准确性和稳定性达到一定的要求，那么磁阻的变化率才能够精确的传递给仪表放大器，因此可见该模块的重要性[10]。2018年，华南理工大学的研究团队在低电压与低温漂特性领域取得了一项创新成果，他们设计了一款亚阈值CMOS技术为基础的基准电压源[11]。2017年，德州农工大学的研究团队提出了一种在高频段(MHz)下实现高电源电压抑制比的带隙基准电压源[12]。

本文设计了一种针对低幅值差分信号的输出检测电路，通过两级运算放大电路和比较器电路将低幅值差分信号的检测转换为高低脉冲信号，电路内部所需的中心偏置电压、比较器参考电压均通过电阻分压实现电压转换，电路结构设计简单，很好地实现了对低幅值差分信号的检测。

2. 差分信号处理电路结构

本文实现的硬件原理框图如图1所示。电路主要由电压转换电路单元、一级放大电路单元、二级放大电路单元和比较输出电路单元组成。首先电压转换电路单元提供中心偏置电压V_Z、比较器参考上限电压V_H和参考下限电压V_L；一级放大电路单元将差分信号放大转换为具有中心偏置的单路信号；由二级放大电路单元进行信号反向放大；再经比较输出电路单元与参考上限电压V_H和参考下限电压V_L进行比较，从而输出检测信号VOUT，当二级放大信号在V_L~V_H之间时，VOUT端输出低电平，当二级放大电路输出信号在V_L~V_H之外时，VOUT端输出高电平。通过两级放大和比较，实现低幅值差分信号经两级放大后进行信号比较检测，实现了信号识别和检测的高分辨率。

差分信号处理电路的工作原理框图如图1所示。

Figure 1. Block diagram of working principle

图1. 工作原理框图

3. 模拟信号选通运算电路原理设计

3.1. 电压转换电路单元

电路采用单电源供电，通过电阻分压输出中心偏置电压V_Z、比较器参考上限电压V_H和参考下限电压V_L用于后续电路单元，电压转换电路单元原理示意图如图2所示。

Figure 2. Schematic diagram of voltage conversion circuit unit

图2. 电压转换电路单元原理示意图

电路内部所需的中心偏置电压V_Z、比较器参考上限电压V_H和参考下限电压V_L均为后续电路提供参考电平，通过电阻分压的方式实现电压转换，简化了电源单元设计，三路输出电压如下所示。

V_Z = R₁₂ × V_CC/(R₁₂ + R₁₃)；

V_L = R₁₅ × V_CC/(R₁₄ + R₁₅)；

V_H = R₁₇ × V_CC/(R₁₆ + R₁₇)。

此外，亦可考虑使用线性稳压器或基准源等电源转换方式，从而为后续电路单元提供更稳定的参考电压。

3.2. 一级放大电路单元

一级放大电路单元原理示意图如图3所示，对差分电压信号V₊、V₋进行放大输出单路一级放大信号V_O1，且V_O1具有中心偏置电压V_Z，如公式(1)所示。

$V_{O1}=\frac{\left[V_Z-\frac{\left(V_Z-V_{+}\right)R_3}{R_3+R_1-j\frac{1}{\omega C_1}}\right]\left(R_4+R_2-j\frac{1}{\omega C_2}\right)-R_4{V}_{-}}{R_2-j\frac{1}{\omega C_2}}$ (1)

Figure 3. Schematic diagram of the primary amplifier circuit unit

图3. 一级放大电路单元原理示意图

一级放大电路单元将输入的双路差分信号转换为单信号的同时，对输入信号的低幅值进行了首次放大，以用于后续信号放大处理，且输出幅度与输入差分信号的变化快慢程度相关。当差分信号V₊、V₋变化越快时，输出信号V_O1的幅值越大。

3.3. 二级放大电路单元

二级放大电路单元原理示意图如图4所示，一级放大电路单元的输出信号V_O1通过二级放大电路单元进行反向放大，输出二级放大信号V_O2，如公式(2)所示。

$V_{O2}=\frac{R_6\left(V_Z-V_{O1}\right)}{R_5-j\frac{1}{\omega C_3}}+V_Z$ (2)

Figure 4. Schematic diagram of the two-stage amplifier circuit unit

图4. 二级放大电路单元原理示意图

二级放大电路单元将前端一级放大的单信号再次放大，提高信号幅值，从而提高后续信号检测的分辨率和准确性。

3.4. 比较输出电路单元

二级放大信号V_O2经比较输出电路单元与参考上限电压V_H和参考下限电压V_L进行比较，从而输出检测信号VOUT，比较输出电路单元原理示意图如图5所示。

当V_O2电压小于V_L = R₁₅ × V_CC/(R₁₄ + R₁₅)时，N2第7脚输出高电平V_CC，二极管V₁导通、V₃截止，因此比较输出电路单元VOUT端探测输出高电平；

当V_O2电压大于V_H = R₁₇ × V_CC/(R₁₆ + R₁₇)时，N2第1脚输出高电平V_CC，二极管V₂导通、V₃截止，因此比较输出电路单元VOUT端探测输出高电平；

当V_O2电压在V_L~V_H之间时，N2第1、7脚均输出低电平，二极管V₁、V₂截止、V₃导通，因此比较输出电路单元VOUT端输出低电平。

Figure 5. Schematic diagram of comparing output circuit units

图5. 比较输出电路单元原理示意图

Figure 6. Test results

图6. 测试结果

3.5. 验证测试结果和优点

本设计通过一级放大电路单元、二级放大电路单元和比较输出电路单元对输入的低幅值差分信号V₊、V₋的运算放大处理和检测，当差分信号变化越快时，输出信号VOUT脉宽越大，从而灵敏识别输入的差分小信号的变化情况。

电路的设计优点为采用单电源供电，只需提供电源电压V_CC，电路内部所需的中心偏置电压V_Z、比较器参考上限电压V_H和参考下限电压V_L均通过电阻分压实现电压转换；采用运算放大器和阻容等通用元器件，调节阻容即可实现参数的便捷调试。图6是针对磁阻传感器低幅值小信号运用此放大电路的测试结果。图中绿色线是低幅值小信号的输出，蓝色线是电路检测后经放大、比较后输出的脉冲信号，从图中可以很明显的看出低幅值信号的变化情况。

4. 结论

本文设计了一种新结构的差分信号检测处理电路，通过两级运算放大和电压比较，充分增强TMR传感器输出的低幅值低频信号，适配放大电路的设计，实现对低幅值差分信号的灵敏检测。电路结构设计简洁、功能单元清晰，调节阻容即实现参数的便捷调试；使用元器件数量少，电路体积小、重量轻、成本低，实现了电路小型化。